酸性媒体中の非貴金属遷移金属/窒素ドープ炭素ナノファイバー上の酸素還元反応に関する電気化学的および計算的研究

本研究では、回転円盤電極および回転リング-ディスク電極技術などの電気化学的測定と、密度汎関数理論（DFT）計算の両方を実施し、酸性媒体中の非貴金属遷移金属/窒素ドープ炭素ナノファイバー（Fe/N/CおよびCo/N/C）触媒における酸素還元反応（ORR）を調査しました。ナノファイバー触媒は、エレクトロスピニングおよびその後の熱処理によって合成されました。私たちの電気化学的測定は、熱分解されたFe/N/C触媒が熱分解されたCo/N/C触媒よりもORRに対して高い活性を持ち、4電子（4e−）ORRを促進できることを示しました。それに対して、O2電気還元はCo/N/C触媒上で主に2e−経路で進行することがわかりました。基盤となる触媒メカニズムを理解するために、FeN4およびCoN4アクティブサイトにおけるORRに関与するO–O結合解離反応に関するすべての可能な化学種の吸着エネルギーと活性化エネルギーを計算しました。私たちのDFT計算は、ORRがFeN4サイト上で4e−連鎖経路を通じて発生する可能性がある一方で、CoN4サイトではO–O結合分裂の高い活性化エネルギーとCoN4サイト上のH2O2の非常に弱い吸着のために2e−経路で終わる可能性があることを予測しました。補完的な実験結果と理論結果は、FeN4およびCoN4クラスターが酸性媒体における遷移金属/窒素ドープ炭素ナノファイバー触媒上でORRを促進する主要な活性部位である可能性を示唆しています。